DE1123754B

DE1123754B - Electric stepper motor

Info

Publication number: DE1123754B
Application number: DEB57235A
Authority: DE
Inventors: Maurice Guiot
Original assignee: BEREX ETABLISHMENT SOC LIECHTE
Current assignee: BEREX ETABLISHMENT SOC LIECHTE
Priority date: 1959-04-09
Filing date: 1960-03-25
Publication date: 1962-02-15

Description

Elektrischer Schrittmotor Die Erfindung betrifft einen schrittweise umlaufenden Elektromotor, der durch Impulse gleicher oderwechselnder Polarität oder durch Schwingungen betrieben wird.Electric stepper motor The invention relates to a step-by-step rotating electric motor, which is driven by pulses of the same or alternating polarity or operated by vibrations.

Es sind derartige Schrittmotoren bekannt, bei denen der Ständermagnet mit in der Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Polen wechselnder Polarität versehen ist, über die in Bezug auf ihren Richtungssinn sich ändernde Flüsse geleitet werden, während die Läuferpole durch einen Dauermagnet derart magnetisiert sind, daß aufeinanderfolgende Pole jeweils Nord-und Südpole bilden. Es ist weiter bekannt, den Polen des feststehenden oder des umlaufenden Teils eine geeignete Form, insbesondere eine spitzwinklige Form zu geben, um eine einwandfreie Drehrichtung zu erhalten. So ist ein Synchronmotor mit polarisiertem Läufer bekannt, der spitzwinklig abgeschrägte Pole besitzt, deren Anzahl der halben Ständerpolzahl entspricht und die, gegeneinander versetzt mit ihren Spitzen aufeinander zuweisend, in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. In ähnlicher Weise ist ein bekannter selbstanlaufender Synchronkleinmotor mit permanentmagnetischem Läufer ausgebildet, indem auf dem Umfang des Läufers weichmagnetische Polzacken von wechselnder Polarität und etwa dreieckiger Form verteilt angeordnet sind. Die Polzacken gehen dabei jeweils von seitlichen Magnetscheiben aus, die eine Feldspule bzw. einen ringförmigen Permanentmagneten einschließen.Such stepper motors are known in which the stator magnet provided with poles of alternating polarity following one another in the circumferential direction through which rivers that change in terms of their sense of direction are channeled, while the rotor poles are magnetized by a permanent magnet in such a way that successive Poles each form north and south poles. It is further known, the poles of the fixed or the circumferential part has a suitable shape, in particular an acute-angled one To give shape in order to obtain a correct direction of rotation. So is a synchronous motor known with polarized rotor, which has acute-angled poles, whose Number corresponds to half the number of stator poles and the one offset from one another with their tips facing one another, are arranged distributed in the circumferential direction. A known self-starting synchronous small motor with permanent magnet is similar Runner formed by magnetically soft pole teeth on the circumference of the runner of alternating polarity and approximately triangular shape are arranged distributed. the Pole spikes come from lateral magnetic disks that form a field coil or include an annular permanent magnet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schrittmotor der genannten Gattung zu schaffen, der über einen großen Drehzahlbereich eine sehr gute Laufruhe und gleichmäßige Drehbewegung besitzt.It is an object of the present invention to provide a stepper motor called genus to create a very good over a wide speed range It runs smoothly and has a smooth rotation.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Spitze jedes Pollappens von der einen seitlichen Magnetscheibe einen Pollappen von der gegenüberliegenden Magnetscheibe berührt. Es konnte überraschenderweise festgestellt werden, daß durchdie direkte Berührung der zu entgegengesetzten Polscheiben gehörenden Pollappen selbst auch bei geringen Drehzahlen eine gegenüber bekannten Motoren dieser Art wesentlich bessere Laufruhe erhalten wird. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei solchen Anwendungsfällen von erheblicher Bedeutung, bei denen durch den Schrittmotor Vorrichtungen angetrieben werden, die empfindlich gegen einen ungleichmäßigen Bewegungslauf sind. Vorteilhafterweise- ist die Anordnung so getroffen, daß die Länge der parallel zur Längsachse des Rotors verlaufenden Seite jedes Pollappens gleich der Breite der Pole des Läufers ist und die Spitze jedes Pollappens den gegenüberliegenden Pollappen an der Spitze der senkrecht zur Drehachse verlaufenden Seite berührt. Der erfindungsgemäß schrittweise umlaufende Motor kann durch Impulse gleicher oder wechselnder Polarität betrieben werden. Er bildet dann ein Drehrelais großer Leistung, das ohne Überwachung unbegrenzt lange unter den schlechtesten Verhältnissen der Fernsteuerung arbeiten kann.This object is achieved according to the invention in that the tip each pole lobe from the one lateral magnetic disc a pole lobe from the opposite magnetic disk touches. It was surprisingly found that by the direct contact of the opposite pole disks belonging to Pole flaps, even at low speeds, are compared to known motors of these Kind of much smoother running is obtained. This property is particular in such applications of considerable importance, in those by the stepper motor Devices are driven that are sensitive to uneven movement are. Advantageously, the arrangement is made so that the length of the parallel to the longitudinal axis of the rotor side of each pole lobe is equal to the width is the pole of the rotor and the tip of each pole lobe is the opposite Pole lobes touched at the tip of the side running perpendicular to the axis of rotation. The inventive step-wise rotating motor can be equal or can be operated with alternating polarity. It then forms a high-performance rotary relay, that without supervision indefinitely under the worst conditions of the Remote control can work.

In diesem Fall werden durch das Relais die Impulse eines beliebigen Impulserzeugers in Drehbewegungen gleicher oder verhältnismäßiger Drehzahl eines Gerätes bei beliebiger Dauer eines jeden Impulses umgewandelt, und zwar ohne Gefahr einer Verstellung oder eines mechanischen Verschleißes, denn das erfindungsgemäße Relais arbeitet ohne.die Schaltwerke und ohne die Federn der an sich bekannten Vorrichtungen dieser Art.In this case, the relay receives the impulses of any Pulse generator in rotary movements of the same or relative speed of a Device converted for any duration of each pulse, and without danger an adjustment or mechanical wear, because the inventive Relay works without the switching mechanisms and without the springs of the known devices this kind.

Wird der schrittweise umlaufende Motor durch Impulse gleicher Polarität betätigt, so ist dieser zweckmäßigerweise mit einem ringförmigen Ferritmagnet zum Vormagnetisieren versehen, delt zentrisch zur Feldspule angeordnet ist und einen Dauerfluß erzeug4 der entgegengesetzt zu dem von den Impulsen erzeugten Magnetfluß gerichtet ist.Is the motor rotating step by step through pulses of the same polarity actuated, this is expediently with an annular ferrite magnet for Provided premagnetization, delt is arranged centrally to the field coil and one Continuous flux generates the opposite of the magnetic flux generated by the pulses is directed.

Der Motor bildet dann ein polarisiertes Drehrelais, das den Vorteil bietet, daß es ein Gerät betätigen kann, das bei nicht erregtem Relais ein gegenläufiges Drehmoment erzeugt, wobei die entgegengesetzt wirkende Kraft durch die magnetische Anziehungskraft des Dauermagnets ausgeglichen wird.The motor then forms a polarized rotary relay, which has the advantage offers that it can operate a device that, when the relay is not energized, a counter-rotating Torque generated, with the opposing force acting through the magnetic attraction of the permanent magnet is balanced.

Wird der erfindungsgemäße Motor -durch Schwingungen betätigt, so arbeitet er als Einphasen-Synchronmotor, der ohne weiteres stets im gleichen Sinn anläuft.If the motor according to the invention - by vibrations pressed, he works as a single-phase synchronous motor which always starts in the same sense readily.

Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is illustrated below with reference to schematic drawings an exemplary embodiment explained in more detail.

Fig, 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß schrittweise umlaufenden Motor; Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch den Motor; Fig. 3 ist eine teilweise Abwicklung des Motors gemäß Fig. 2.Fig. 1 is a longitudinal section through an intermittently rotating motor according to the invention; Fig. 2 is a longitudinal section through the engine; FIG. 3 is a partial development of the engine according to FIG. 2.

Gemäß Fig. 1 befindet sich der schrittweise umlaufende Motor in einem Gehäuse 51, das aus Magnetwerkstoff hergestellt und durch einen Lagerdeckel 52 geschlossen ist. Die Läuferwelle 53 läuft auf Kugellagern 54 und 55, die jeweils in den Gehäuseboden und in den Lagerdeckel 52 eingebaut sind.According to FIG. 1 , the gradually rotating motor is located in a housing 51 which is made of magnetic material and is closed by a bearing cover 52. The rotor shaft 53 runs on ball bearings 54 and 55, which are installed in the housing base and in the bearing cover 52 , respectively.

Der Läufer 56 besteht aus einem ringförmigen Dauermagnet 57, der etwa aus Ferrit hergestellt sein kann. Er ist auf dem äußeren Umfang mit einer geraden Anzahl von N- und S-Polen versehen. Der Dauermagnet 57 ist mit einer mittleren Büchse 58 durch einen Kupplungskörper 59 fest verbunden, der aus einem geeigneten Kunststoff oder einer beliebigen Legierung hergestellt sein kann. Die mittlere Büchse 58 ist mit der Läuferwelle 53 durch einen Splint 60 drehfest verbunden. Eine Abstandsbüchse 61 bestimmt die axiale Lage des Läufers 56 in Bezug auf das Kugellager 54.The rotor 56 consists of an annular permanent magnet 57, which can be made of ferrite, for example. It is provided with an even number of N and S poles on the outer circumference. The permanent magnet 57 is firmly connected to a central sleeve 58 by a coupling body 59 , which can be made of a suitable plastic or any alloy. The middle bush 58 is connected to the rotor shaft 53 in a rotationally fixed manner by a split pin 60. A spacer sleeve 61 determines the axial position of the rotor 56 in relation to the ball bearing 54.

Der Feldmagnet besteht aus zwei Scheiben. Die erste hat die Gestalt einer gepreßten Blechscheibe 62, die mit einem Flansch in das Gehäuse 51 eingefaßt ist und auf dem inneren Umfang der Länge nach durch rechtwinklige Poldreiecke 63 verlängert ist. Die andere hat ebenfalls die Gestalt einer gepreßten Blechscheibe 64, deren radiale Breite jedoch kleiner ist als diejenige der Scheibe 62. Die Scheibe 64 ist ebenfalls auf dem inneren Umfang der Länge nach durch rechtwinklige Poldreiecke 65 verlängert. Die Poldreiecke 63 und 65 greifen wechselweise ineinander ein.The field magnet consists of two discs. The first has the shape of a pressed sheet metal disk 62, which is set in the housing 51 with a flange and is extended lengthways on the inner circumference by right-angled pole triangles 63. The other also has the shape of a pressed sheet metal disk 64, the radial width of which, however, is smaller than that of the disk 62. The disk 64 is also elongated along the inner circumference by right-angled pole triangles 65. The pole triangles 63 and 65 alternately mesh with one another.

Die Feldspule 66 und der ringförmige Dauermagnet 67, der zum Vormagnetisieren dient, sind in den Raum zwischen dem Gehäuse 51 und den beiden Magnetscheiben eingebaut. Die Spule 66 wird durch Impulse gleicher Polarität erregt, die durch einen Magnetfluß 02 erzeugt werden, dessen Richtung durch mit vollen Strichen eingezeichnete Pfeile angedeutet ist.The field coil 66 and the ring-shaped permanent magnet 67, which is used for premagnetization, are installed in the space between the housing 51 and the two magnetic disks. The coil 66 is excited by pulses of the same polarity which are generated by a magnetic flux 02, the direction of which is indicated by arrows drawn with full lines.

Der Ringmagnet 67, der zentrisch zur Läuferwelle 53 angeordnet ist, befindet sich neben der Feldspule 66. Dieser Dauermagnet 67 erzeugt den Magnetfluß 0, dessen Richtung durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist. Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß die beiden Magnetflüsse 01 und 02 gegenläufig sind. Ein zum Zentrieren dienender Ring 68, der aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht, befindet sich zwischen der Scheibe 64, den Poldreiecken 65 und dem Dauermagnet 67. Dieser Zentrierring dient zur Herstellung von Spalten e, und e. jeweils zwischen dem Dauermagnet 67, den Poldreiecken 65 und der Scheibe 64.The ring magnet 67, which is arranged centrally to the rotor shaft 53 , is located next to the field coil 66. This permanent magnet 67 generates the magnetic flux 0, the direction of which is indicated by dashed arrows. From Fig. 1 it can be seen that the two magnetic fluxes 01 and 02 are in opposite directions. A centering ring 68 made of non-magnetic material is located between the disk 64, the pole triangles 65 and the permanent magnet 67. This centering ring is used to produce gaps e and e. each between the permanent magnet 67, the pole triangles 65 and the disk 64.

Der äußere Durchmesser der Scheibe 64 ist viel kleiner als der innere Durchmesser des Gehäuses 51. Der durch den Magnet 67 erzeugte Magnetfluß kann somit nicht durch die Scheibe 64 kurzgeschlossen werden.The outer diameter of the disk 64 is much smaller than the inner diameter of the housing 51. The magnetic flux generated by the magnet 67 can therefore not be short-circuited by the disk 64.

Der Motor gemäß Fig. 2 und 3 soll mit Impulsen wechselnder Polarität oder mit Schwingungen betrieben werden. Der Ständerfeldmagnet besteht aus einem äußeren Rohr 42 und zwei Magnetscheiben 43 und 44, die zwischen sich die Feldspule 41 einschließen.The motor according to FIGS. 2 and 3 is to be operated with pulses of alternating polarity or with vibrations. The stator field magnet consists of an outer tube 42 and two magnetic disks 43 and 44 which enclose the field coil 41 between them.

.Die &beiden Magnetscheiben 43 und 44 sind mit Flanschen 43 a und 44 a versehen, die zur magnetischen Verbindung mit dem äußeren, aus Stahl bestehenden Rohr 42 dienen. Diese Ausbildung gestattet ein genaues Einpassen und deshalb ein geräuschloses Arbeiten..The & two magnetic disks 43 and 44 are provided with flanges 43 a and 44 a, which are used for the magnetic connection with the outer tube 42 made of steel. This training allows precise fitting and therefore noiseless operation.

Die Polschuhe 47 und 48 bestehen wieder aus rechtwinkligen Dreiecken BI Cl A2 und A, D, B, deren Füße A, D, und B, C, die Länge einer Polteilungp des Läufers haben. In diesem Fall sind die Poldreiecke durch Ansätze 47a, 48a verlängert, die ausschließlich zur Verbindung mit den Magnetscheiben 43 und 44 dienen.The pole shoes 47 and 48 again consist of right-angled triangles BI Cl A2 and A, D, B, whose feet A, D, and B, C, have the length of a pole pitch p of the rotor. In this case, the pole triangles are extended by extensions 47a, 48a, which are used exclusively for connection to the magnetic disks 43 and 44.

Zur Erzielung einer Mindestveränderung der Reluktanz zwischen den Polen sind die Scheitel von A,A,A,... B1B2B3 ... den Poldreiecken 47 und 48 gemein, so daß diese sich mit den Spitzen berühren. Die parallel zur Motorachse verlaufenden Seiten der Poldreiecke, also die Seiten D1B1C1A, haben eine Länge, die gleich der Breite L des Läufers 49 ist.To achieve a minimum change in the reluctance between the poles, the vertices of A, A, A, ... B1B2B3 ... are common to the pole triangles 47 and 48, so that they touch the tips. The sides of the pole triangles running parallel to the motor axis, that is to say the sides D1B1C1A, have a length which is equal to the width L of the rotor 49.

Durch den Magnetschluß an den Stellen A1A2A3... B,B,B,... wird die Impedanz des Ständers vermindert, so daß der Motor auch mit höheren Frequenzen betrieben werden kann.Due to the magnetic closure at points A1A2A3 ... B, B, B, ... the Impedance of the stator decreased so that the motor also operated at higher frequencies can be.

Der Motor gemäß Fig. 1 und 2 kann als schrittweise umlaufendes Relais dienen, das auf Impulse beliebiger Frequenz anspricht, wobei der Läufer auch schrittweise stets in der gleichen Richtung umläuft. Besteht der ringförmige Läufermagnet aus »Ferroxdur« mit zwölf Polen, so bewirkt der durch einen Impuls erzeugte Fluß 02 eine Verschiebung des Läufers um eine Polteilung, also um den zwölften Teil einer ganzen Umdrehung. Das Aufhören des Impulses gestattet dann auch die Wiederherstellung des Flusses 0, und der Läufer gleitet um eine weitere Polteilung, d. b. um einen weiteren zwölften Teil und stets in der gleichen Richtung.The motor according to FIGS. 1 and 2 can serve as a step-by-step revolving relay which responds to pulses of any frequency, the rotor also always revolving step by step in the same direction. If the ring-shaped rotor magnet is made of "Ferroxdur" with twelve poles, the flux 02 generated by a pulse causes the rotor to be shifted by one pole pitch, i.e. by the twelfth part of a complete revolution. The cessation of the impulse then also allows the restoration of the flux 0 and the rotor slides one more pole pitch, i.e. b. by a further twelfth part and always in the same direction.

Wird die Frequenz der einanderfolgenden Impulse größer, so dreht sich auch der Läufer allmählich schneller, und der Motor kann sich gegebenenfalls wie ein selbstanlaufender Synchronmotor verhalten, vorausgesetzt, daß die Feldspule mit einem 50periodischen Einphasenstrom betrieben wird.If the frequency of the successive pulses increases, it rotates Also the runner gradually gets faster, and the motor can possibly like itself a self-starting synchronous motor will behave, provided that the field coil is operated with a 50-period single-phase current.

Es ergibt sich daraus ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß schrittweise umlaufenden Motors. Während der zweiten Teildrehung beim Aufhören des Impulses kann der Magnet einen Impuls in einer Hilfsspule erzeugen, die gleichachsig mit der Feldspule angeordnet ist. Dieser Impuls kann dann selbst zu verschiedenen Zwecken dienen, insbesondere zum Betätigen eines polarisierten Drehrelais gleicher Art.This results in a particular advantage of the step-by-step according to the invention rotating motor. During the second partial rotation, when the impulse ceases, can the magnet will generate a pulse in an auxiliary coil that is coaxial with the field coil is arranged. This impulse can then be used for various purposes, especially for operating a polarized rotary relay of the same type.

Das vorbeschriebene polarisierte Drehrelais kann zur Fernbedienung von Geräten dienen, die mehrere Winkellagen einnehmen sollen, etwa von Drehschaltern mit Kontaktscheiben, und zwar mit einem sehr geringen Energieaufwand für die Impulse, denn die genaue Einstellung durch die Poldreiecke gestattet die Beseitigung der Sperr- und Schnappvorrichtungen, die in der Regel bei der Fernbedienung von Kontaktgeräten erforderlich sind.The polarized rotary relay described above can be used for remote control are used by devices that should take up several angular positions, such as rotary switches with contact discs, with a very low energy consumption for the impulses, because the exact setting by means of the pole triangles allows the elimination of the Locking and snap-action devices, which are usually used for remote control of contact devices required are.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Stepper motor with a rotor consisting of a ring-shaped permanent magnet, which has north and south poles distributed around its circumference in an alternating sequence, and with at least one ring-shaped field winding and a field magnet surrounding it, the two lateral magnetic disks with between the field coil and has pole lobes lying on the rotor, which have the shape of triangles and extend alternately from the lateral magnetic disks, characterized in that the tip of each pole lobe from the one lateral magnetic disk touches a pole lobe from the opposite magnetic disk.

2. Stepper motor according to claim 1, characterized in that the length of the parallel to the longitudinal axis of the rotor side of each pole lobe is equal to the width of the pole of the rotor and the tip of each pole lobe touches the opposite pole lobe at the tip of the side perpendicular to the axis of rotation . 3. Stepper motor according to claim 1 or 2, characterized in that when the field winding is excited by pulses of the same polarity, a permanent ring-shaped bias magnet is provided in such a way that it generates a permanent magnetic flux in the pole lobes of the field magnet which is opposite to the flux generated by the pulses .

Documents considered: German Patent No. 673 170; German Auslegeschrift No. 1000 107, 1001 191, 1 055 677; U.S. Patent No. 2,251505.